光电子课设报告.docx
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光电子课设报告
课程设计任务书
学生姓名:
专业班级:
电子0802
指导教师:
工作单位:
信息工程学院
题目:
光纤耦合器的耦合比与耦合区间隔的关系仿真
课题要求:
1.掌握光纤耦合器的相关概念与知识。
2.利用BeamPROP仿真软件对光纤耦合器实现仿真。
3.得出光纤耦合器的耦合间隔与耦合比之间的关系。
4.完成课程设计报告(应包含仿真图,调试及设计总结)。
时间安排:
1.2011年6月28日分班集中,布置课程设计任务、选题;讲解课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求;课设答疑事项。
2.2011年6月29日至2011年6月7日完成资料查阅、设计、制作与调试;完成课程设计报告撰写。
3.2011年7月8日提交课程设计报告,进行课程设计验收和答辩。
指导教师签名:
年月日
系主任(或责任教师)签名:
年月日
目录
摘要I
AbstractII
绪论1
1原理分析2
1.1光纤理论分析2
1.1.1光纤的组成2
1.1.2光纤的模式3
1.1.3光纤的场分布3
1.2耦合机理5
1.2.1光纤耦合器的基本结构5
1.2.2光纤耦合器的耦合效率5
1.2.3耦合效率的影响因素6
2BeamPROP软件使用7
2.1软件简介7
2.2BeamPROP仿真7
3仿真设计10
3.1光纤耦合器的仿真10
3.2仿真文件设计10
3.2.1建立波导10
3.2.2设置路径与监视器11
3.2.3设置位置的变量11
3.3仿真结果12
3.3.1光纤耦合器的传播路径仿真12
3.3.2耦合间隔与耦合比的关系仿真13
4总结15
4.1结论15
4.2体会15
参考文献16
摘要
光纤耦合器是一种定向耦合器,是光纤通信系统中重要器件之一。
光纤耦合器是一种多根光纤之间或光源与光纤之间实现光功率定向传输的一种无源器件。
可以实现多根光纤传输的光信号耦合进一根光纤,或一路光信号分成几路,并对各路的光功率分配比例有明确的要求。
耦合比是光纤耦合器的重要参数,光纤耦合器的耦合比跟耦合区间的长度,间隔等因素有关。
本文从理论上推导了单模光纤耦合器耦合系数的计算公式。
然后结合实际制作条件进行了合理的近似,利用BeamPROP软件仿真,探究了光纤耦合器的耦合比与耦合区间隔的关系。
得到光纤耦合器的仿真特性,验证了相应的理论。
关键词:
光纤耦合器;单模光纤;耦合系数;耦合间隔
Abstract
Fibercouplerisadirectionalcouplerwhichisanimportantdeviceinopticalfibercommunicationsystem.Fibercouplerisapassivedevicewhichachievesdirectionalopticalpowertransmissionbetweenfiberorthelightsourceandopticalpower.Fibercouplercanenabletheopticalsignalofmultiplefibersintoanopticalfiber,oropticalsignalisdividedintoseveralroadsallthewaywithclearrequirementsoftheproportionofthebrightestoftheopticalpowerdistribution.Thecouplingratioisanimportantparameterofopticalfibercoupler.Thecouplingratioisrelatedtothelengthandintervalofopticalfibercoupler.ThisarticlederivestheindexofcouplinganduseBeamPROPsoftwaresimulationtoexploretherelationsofthecouplingratioofopticalfiberbetweenthecouplingintervals,andgivethefibercouplersimulationfeature,andverifythecorrespondingtheory.
Keywords:
opticalfibercoupler;single-modefiber;couplingratio;couplinginterval
绪论
光纤耦合器是光纤通信系统、光纤传感器、光纤测量技术和信号处理系统中一种应用十分广泛的无源器件。
在光纤传输系统中,需要采用光纤耦合器把多根光纤传输的光信号耦合进一根光纤,或将一路光信号分成几路,并对各路的光功率分配比例有明确的要求。
耦合比是光纤耦合器的主要参数之一,如何获得分光比可调的光纤比一直是人们需要解决的技术难题。
单模光纤耦合器的耦合比与耦合区间的长度和间隔有关系。
2x2单模光纤耦合器可看作是两个锥体相互靠近形成的。
它的基本思想是:
相耦合的两波导中的场.各自保持了该波导独立存在时的场分布和传输系数.耦合的影响表现在场的复数振幅的沿途变化.设两波导中的复数振幅为A1(z)和A2(z).由于耦合作用,它们沿途变化.其变化规律可用两联立的一阶微分方程组表示。
从而得到光纤耦合器的耦合比的计算公式。
光纤耦合器一般分为三类:
标准耦合器,星状/树状耦合器,波长多工器。
光纤耦合器制作方式有烧结(FUSE)、微光学式(MICROOptics)、光波导式(WaveGuide)三种。
国内外普遍采用烧结方式即熔融拉锥法(FBT)制作光纤耦合器,这种方法制作的耦合器,存在明显变细的拉锥区,应力比较集中,容易发生断裂,从而导致可靠性降低[8]。
光纤耦合器也称光定向耦合器,是一种多根光纤之间或光源与光纤之间实现光功率定向传输的一种无源器件.传输的光的能量大小往往决定耦合器的工作状态,当输入光能量较低时,光纤耦合器处于线性工作状态;当输入光能量高到一定程度后,光纤中将产生非线性效应,即工作在非线性工作状态.全光开关是非线性光纤耦合器的一个非常重要的应用实例,同时在目前也是热门的研究课题。
1原理分析
1.1光纤理论分析
1.1.1光纤的组成
光纤是指能够传导光波的圆柱形介质光波导,通常光纤三层介质,分别是是芯层、包层和涂层,芯层折射率n1稍大于包层折射率n2,导波光由于全反射背包层约束在芯层中沿光纤延伸方向传播。
图1.1阶跃光纤横截面结构图
按照芯层的折射率的大小可以将光纤分为阶跃光纤和梯度光纤。
对于阶跃光纤折射率分层均匀分布,有芯层折射率n1大于包层折射率n2。
梯度光纤其芯层折射率径向为渐变式。
由于光纤的芯层和包层的折射率之差很小,光纤相对折射率可以近似用下式表示。
(1.1)
光纤的折射率之差又称为光纤的结构参数[2],是光纤非常重要的一个参量,影响光纤的色散特性和耦合效率。
1.1.2光纤的模式
在光纤中由于芯层的折射率大于包层的折射率因而当光以大于一定角度入射时就会产生全反射现象,从而大大减少了光纤的损耗,实现光信号传输。
在光纤的受光角内,以某一角度射入光纤端面,并能在光纤的纤芯-包层交界面上产生全反射的传播光线,就可称之为光的一个传输模式。
当光纤的芯直径较大时,则在光纤的受光角内,可允许光波以多个特定的角度射入光纤端面,并在光纤中传播,此时,就称光纤中有多个模式。
这种能传输多个模式的光纤就称为多模光纤。
如图所示,以不同入射角入射在光纤端面上的光线在光纤中形成不同的传播模式。
沿光纤轴传播的叫做基模,相继还有一次模、二次模等。
其中,模次较低的模为低次模,如二次模;模次较高的模为高次模。
当光纤芯直径很小时,光纤只允许与光纤轴方向一致的光线通过,即只允许通过一个基模。
这种只允许传输一个基模的光纤就称为单模光纤。
本设计主要讨论单模光纤构成光纤耦合器。
1.1.3光纤的场分布
由光纤理论可以得到,光纤中传导场表达式如下所示。
[2](1.2)
其中,
为光纤中导波光场的场振幅,
为光纤中导波光场的场分布,
为基模场的传播常数,
为角频率。
当给定波导(即光纤)的边界条件时,求解波导场方程可得本征解及相应的本征值
,即模式。
模式是波导结构的固有电磁共振属性的表征。
单模光纤中只能存在基模,其场分布是确定的,可由亥姆霍兹方程求得。
在弱导光纤中的电磁波,其横向场分量Et、Ht远大于纵向场分量Ez,Hz,而且横向场分量是线偏振的。
于是我们把电场的横向分量取为y轴方向,即Et=Ey。
亥姆霍兹方程为
[2](1.3)
利用分离变量法,求解方程,并结合电磁场的边界条件,可以解出电场的横向分量Ey。
(1.4)
其中,r是点到光纤中心轴的距离,m是整数,Jm和Km分别是m阶贝塞尔函数和m阶变态汉克尔函数;a是光纤芯层半径,一般单模光纤的a=2-5
。
是极角。
横向磁场只包含Hx分量,由于横向电场与横向磁场的比等于波阻抗,故可由Ey计算出Hx:
(1.5)
再由麦克斯韦方程组可求出场的纵向分量Ez、Hz:
[2](1.6)
[2](1.7)
1.2耦合机理
本设计主要针对光纤耦合器,对光纤耦合器的输出特性以及光纤耦合器的耦合间隔与耦合比之间的关系进行探究。
1.2.1光纤耦合器的基本结构
在光纤传输系统中,光纤耦合器可以把多根光纤传输的光信号耦合进一根光纤,或将一路光信号分成几路,并对各路的光功率分配比例有明确的要求。
光纤耦合器是一个四端口的网络,由两根靠近的光纤组成,分别由有光输入和无光输入、耦合区间、直通臂和耦合臂部组成。
基本结构如图所示。
图1.2光纤耦合器的结构图
光纤耦合器的物理机制可以理解为:
当一束光由光纤耦合器的一个纤芯入射时,因为不同的模式能量,2个纤芯中的光束,由于自相位调制(SPM)引起的相移也不同。
结果,即使是对称的光纤耦合器因为非线性效应也表现出不对称性。
际上,这种情况与非对称光纤耦合器中的情况很类似。
在非对称光纤耦合器中,不同的模传播常数引起2个纤芯间的相对相移。
并阻碍了两者间全部能量的转移。
1.2.2光纤耦合器的耦合效率
平行直光纤的纤芯相互接近时,在其中传输的基模场分布就会互相渗透和交叠。
这样1号光纤中传播的导模场将在2号光纤中产生极化作用,从而在2号光纤中激起传导模。
设n11和n12分别为1号光纤和2号光纤的芯层折射率,nc为包层折射率。
由光纤的传导场可得两条光纤中的场分布。
[3](1.8)
[3](1.9)
由光纤耦合器的耦合关系以及相应的波导方程可以得到耦合系数的计算公式。
(1.10)
从而计算得到耦合系数
(1.11)
其中
是光波波长,
是纤芯的折射率,
是包层的折射率,d是光纤的间距(耦合间隔),a是光纤横向尺寸,K0和K1分别是零阶和一阶贝塞尔函数。
1.2.3耦合效率的影响因素
光纤耦合器的耦合比与很多因素有关,由光纤耦合器的耦合系数的表达式可以,耦合系数与耦合区间的长度以及耦合区间的间隔相关。
以上耦合系数的表达式是针对平行光纤组成的无损耗耦合器分析推导出来的,在实际的光纤定向耦合器制作中,两根光纤都弯成了圆弧形,渗透进包层的消逝场被部分或者完全去除,因此光纤的几何边界与以上推导的条件不完全相符。
但是,当曲率半径R足够大的时候,可以将产生的模式畸变忽略不计。
曲率半径影响着耦合器的有效作用长度,它使两根互相耦合的光纤之间的间距d和耦合系数c都成为耦合区位置z的函数[4]。
2BeamPROP软件使用
2.1软件简介
本文采用仿真软件BeamPROP进行仿真从而探究光纤耦合器的耦合效率与耦合区间之间的关系。
BeamPROP是一个高度集成了计算机辅助设计和模拟仿真的专业软件,专用于设计集成光学波导元件和光路。
此软件由美国RSOFT公司出品,1994年投入市场,被学院及产业公司的开发设计人员广泛使用。
此软件使用先进的有限差分光束传播法(finite-differencebeampropagationmethod)来模拟分析光学器件。
用户界面友好,分析和设计光学器件轻松方便。
其主程序为一套完善的用于设计光波导元件和光路CAD设计系统,且可控制相关的模拟参数,如:
数值参数、输入场以及各种显示、分析功能选项。
另一功能为模拟程序,它可以在主程序内或独立执行模拟分析工作,以图形方式显示域的特性以及用户感兴趣的各种数值特性[6]。
2.2BeamPROP仿真
1)新建仿真文件
启动BeamPROP软件,点击左上角的“NewCircuit”按钮,新建仿真文件。
点击后弹出基本设置对话框,波导的一些基本特性参数需要在此设定。
我们模拟目前光通信系统中应用最为广泛的掩埋型二氧化硅波导(channel型)。
波导横截面的尺寸结构为4um,芯层折射率为1.465,包层折射率为1.455(包层和芯层的折射率差为0.01)。
图2.1波导参数设置界面
2)绘制波导
点击BeamPROP窗口左边的mode,绘制相应形状的波导[6]。
鼠标左键,在任意另一处再单击左键,即可画出相应的波导。
将鼠标移动至波导上(红色区域上),再单击鼠标右键,会弹出波导的设置菜单。
通过设置变量可以方便的改变波导的位置以及大小。
图2.2绘制波导
3)设置仿真激励
要实现仿真结果,我们还需要设置光源的特性和观察的路径,还需要添加监视器观察输出特性。
设置路径通过单击左侧工具栏中的“EditPathways”按钮。
单击后左侧工具栏会变成路径设置栏。
点击“New”按钮,会新建一个路径,再左键点击我们画好的波导,使路径与波导相一致(此时波导会变绿色),如下图:
然后再点击“Monitors”按钮,会弹出一个小对话框,设置一个与路径相匹配的探测器。
按照下图提示设置完后,点击对话框的“OK”按钮回到路径设置模式,再点击左侧的“OK”按钮回到画图模式。
再进行光源的设置。
单击左侧工具栏中的“EditLaunchField”按钮,如下图。
单击后会弹出输入光源的设置对话框。
选取波导的基模即可。
如下图:
设置完成点击“OK”。
至此,模拟环境已基本设置完毕。
再模拟前,要需先将文件保存下来。
4)波导仿真并观察仿真结果
仿真文件建立好之后,只要点击工具栏中的PerformSimulation即可实现仿真,点击后软件自动完成仿真得出仿真结果,绘制仿真图形。
从仿真图形中可以得出相应的结论。
还可以使用PerformParameterScan设定相应参数变化获得相应的输出图形。
图2.3激励仿真结果
3仿真设计
3.1光纤耦合器的仿真
要得到光纤耦合器的输出特性仿真结果以及耦合间隔与耦合比之间的关系,根据原理分析可知,光纤耦合器就是两束光纤靠近时会产生耦合效应,从路径1输入的光功率会传输到路径2中,并且这种传输与耦合区间的长度以及耦合间隔有一定的关系[5]。
使用BeamPROP软件的可以建立相应的仿真文件实现光纤耦合器的输出特性的仿真,并且得到耦合间隔与耦合比的关系。
3.2仿真文件设计
3.2.1建立波导
通过上面软件使用方法,建立相应的仿真文件,参数设置结合实际使用的光纤的折射率以及光波波长。
设置导横截面的宽度为4um,芯层折射率为1.465,包层折射率为1.455(包层和芯层的折射率差为0.01)。
之后绘制相应的波导,由光纤耦合器的基本结构可以画出相应的波导形状如图所示。
图3.1光纤耦合器
3.2.2设置路径与监视器
为波导建立两条路径分别是直通臂和耦合臂,并且添加两个Monitor分别监测两个臂的输出光功率[7]。
监测器1监测路径1也就是直通臂,监测器2监测路径2也就是耦合臂。
3.2.3设置位置的变量
为了方便改变耦合区的间隔,将一条路径的x坐标设置为定值0,而另一条路径的X坐标设置为变量Distance。
变量的添加只要在工具栏中使用EditSymbols工具即可实现。
变量设置如图所示。
图3.2设置变量
3.3仿真结果
3.3.1光纤耦合器的传播路径仿真
当耦合区间的间隔Distance设置为5
时,使用Simulation得到仿真结果如图所示,其中蓝线代表路径1的光功率,绿线代表路径2的光功率。
由仿真结果可以看出光的传播路径,光激励由路径1耦合到了路径2。
耦合比为0.52,也就是耦合臂输出功率是输入功率的0.52倍。
图3.3光纤耦合器输出特性
3.3.2耦合间隔与耦合比的关系仿真
为了探究光耦合器的耦合间隔与耦合比的关系,要改变耦合间隔得到各个耦合间隔的耦合比,从而得出相应的关系。
本设计使用BeamPROP中的PerformParameterScan功能实现耦合间隔的扫描。
该功能的使用如图所示。
通过设置StartingValue和EndingValue以及Increment[7]。
可以观察各个耦合间隔的耦合比。
从而得到耦合间隔与耦合比的关系。
1)耦合间隔较小的仿真结果
设置耦合间隔由0
到1
以0.02
的步进变化,可以得到耦合比与耦合间隔的关系。
曲线图如图所示,蓝色线代表直通臂的输出功率与输入功率的比值,绿色代表耦合臂的输出功率与输入功率的比值。
由图可以看出耦合比与耦合间隔成近似正弦规律周期变化。
图3.4仿真结果
2)耦合间隔较大的仿真结果
设置耦合间隔由5
到10
以0.02
的步进变化,同样可以得到耦合比与耦合间隔的关系。
曲线图如图所示,由图可以看出当耦合间隔大于(7)时耦合间隔和耦合比不再以近似正弦规律变化,而是按照指数规律变化,最后没有了耦合效果。
图3.5仿真结果
由以上仿真结果分析对于贝塞尔函数的图形可知光纤耦合器的耦合比与耦合间隔成贝塞尔函数的关系。
与理论分析一致,从而验证了理论的正确性。
4总结
4.1结论
本次课程设计通过学习相关的光电子、光纤的知识(尤其是光纤耦合器)以及BeamPROP光学仿真软件。
实现了光纤耦合器的输出特性仿真,探究了光纤耦合器的耦合间隔与耦合比直接的关系。
由仿真结果得出结论,当耦合间隔比较小的时候,光纤耦合器的耦合间隔与耦合比成正弦规律周期性变化。
当耦合间隔大于一定的值时,耦合比成指数规律变化,最终趋向于0,以致两路光纤没有关系,不具有耦合关系,光纤耦合器的耦合比与耦合间隔成贝塞尔函数的关系。
4.2体会
经过这次课程设计的制作,使我加深了对光纤相关知识的理解。
深入的理解了光纤耦合器的基本原理和实现方法以及得到了光纤耦合器耦合间隔与耦合比之间的关系,学习了BeamPROP软件的使用。
设计仿真中,我遇到了许多实际的问题,也体会到了书本理论和实际操作的差异。
通过这段时间的实践,也使我对这门课产生了更加浓厚的兴趣,更加体会到理论与实践结合的重要性。
在摸索该如何设计系统使之实现所需功能的过程中,培养了我的设计思维,增加了实际操作能力。
参考文献
[1]曹庄琪.导波光学.科学出版社.2007
[2]明海.张国平.光电子技术.中国科学技术大学出版社.1998
[3]石顺祥,孙艳玲.光纤技术及应用.华中科技大学出版社.2009
[4]刘德明.光纤光学.国防工业出版社.1995
[5]石顺祥.光电子技术及其应用.电子科技大学出版社.2000.
[6]BeamPROP5.1.1UserGuide
[7]
[8]
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
男
专业、班级
课程设计题目:
光纤耦合器的耦合比与耦合区间隔的关系仿真
课程设计答辩或质疑记录:
成绩评定依据:
最终评定成绩(以优、良、中、及格、不及格评定)
指导教师签字:
年月日
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